網(wǎng)絡(luò)特性虛擬分析儀
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摘要：介紹一種掃頻儀——兼有任意波形發(fā)生器和數(shù)字存儲示波功能的虛擬儀器。可網(wǎng)時顯示幅頻特性、相頻特性，還可顯示采集的波形。在設(shè)計技術(shù)上，采用FPGA、EDA技術(shù)和VC++6.0Windows編程技術(shù)。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/226429.htm關(guān)鍵詞：完EDA ISP FPGA VHDL VC++ DLL
隨著計算機技術(shù)、電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)和在系統(tǒng)可編程技術(shù)（ISP）的廣泛應(yīng)用，使得虛擬儀器的設(shè)計列為靈活、測試更為方便，從而使虛擬世界更為豐富多彩。
虛擬儀器的設(shè)計包括硬件和軟件部分。本系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
1 系統(tǒng)硬件
由圖1可看出硬件部分主要包括：EPP口、DDS（直接數(shù)字頻率合成）、信號調(diào)理、鑒相及數(shù)據(jù)采集等模塊。
1.1 EPP口
因為EPP（增強型并行端口）比SPP（標準并行接口）傳輸速率高，最高可達2Mbytes/s，所以本項目選用它以提高系統(tǒng)速率。實現(xiàn)時，用VHDL編寫簡單的接口譯碼電路。
1.2 DDS
本系統(tǒng)利用DDS技術(shù)合成精度高、頻率穩(wěn)定度好和控制方便的優(yōu)點來產(chǎn)生掃頻信號。其基本原理如圖2所示。
設(shè)相位累加器的位數(shù)為n，累加器的輸入控制字為F_word，系統(tǒng)時鐘頻率為Fclk，則輸出信號S_out的頻率Fout為：
Fout=(Fclk×F_word)/2 n
因此，通過計算機給DDS的累加器發(fā)同的頻率控制字就可得到不同的頻率。該頻率的精度主要由相位累加器的位數(shù)n決定（注：Fout與波形存貯器RAM的深度沒有關(guān)系，存儲器容量只改變一個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點數(shù)，因而地址寬度m只影響波形的精度）。本系統(tǒng)取n=32,m=15。所以，頻率分辨率為Fclk/2 32，一個周期內(nèi)最多有2 15個數(shù)據(jù)點。下面給出相位累加器的VHDL源程序：
ENTITY dds_adder IS
PORT(
clr :in std_logic;
clk :in std_logic;
f_word :in std_logic_vector(31 downto 0);
addr_end :in std_logic_vector(31 downto 0);
address :out std_logic_vector(14 downto 0);
);
END dds_adder;
ARCHITECTURE behav OF dds_adder IS
SIGNAL mid_address:std_logic_vector(31 downto 0);
BEGIN
PROCESS (clk,clr,f_word,addr_end)
BEGIN
IF(clr='0') THEN
IF(mid_address=addr_end)
--CHECK ONE CIRCLE'S END
THEN
mid_address=0000000000 00000000;
ELSE mid_address=mid_address + f_word;
--PHASE ADDER
END IF;
END IF;
END PROCESS;
Address=mid_address(31 downto 17);
--OUTPUT 15 HIGH BITS
BND behav;
由程序可看出f_word為頻率控制字，addr_end為一個周期的結(jié)束地址，這兩個輸入都是32位的，而輸入address為位累加器的中間信號mid_address的高15位。Address直接尋址波形存儲器。
1.3 鑒相部分
鑒相部分原理如圖3所示。掃頻信號S1和S1經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號S2，首先分別經(jīng)過比較器形成占空比相同的方波I1和I2。接著以I1為參考，兩者通過數(shù)字鑒相器，得到高電平寬度受S1和S2相位差調(diào)制的方波P0。圖3（b）和圖3（c）分別給出了I2滯后I1和I2超前I1的兩種情況。
最后通過積分電路得到平均電平Peven，送到A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。這里用R-S觸發(fā)器來進行數(shù)字鑒相，鑒相范圍-π～π。
1.4 數(shù)據(jù)采集
通過A/D轉(zhuǎn)換電路，先后把S2經(jīng)過調(diào)理的信號波形和載有相位差信息的直流平均電平采集下來，存入RAM中，最后計算機統(tǒng)一讀取。這部分中，關(guān)鍵是采集RAM地址發(fā)生器的設(shè)計。采集RAM地址發(fā)生器的VHDL源程序如下：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNEC.ALL；
ENTITY c_15 IS
PORT （
clk :in std_logic;
en :in std_logic;
clr :in std_logic;
co :out std_locig;
addr :out integer range 0 to 32767
);
END c_15;
ARCHITECTURE behav OF c_15 IS
SIGNAL mid: integer range 0 to 32767;
BEGIN
PROCESS(clk)
BEGIN
IF(clr='0')THEN
mid=0;
co='0';
ELSE
IF(clk'event and clk='1') THEN
IF (en='1') THEN
mid=mid+1;
ELSE null;
END IF;
IF(mid=32767) THEN
co='1';
ELSE co='0';
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
Addr=mid;
END behav；
計算機讀采集RAM地址發(fā)生器基本和上面一樣，只不過時鐘clk由EPP口通信信號譯碼得到（采集地址發(fā)生器的時鐘clk用的是A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘）。另外，采集地址發(fā)生器不用co信號（地址寫滿標志信號，由計算機讀取判斷。若為高電平，則采集RAM已寫滿，計算機可以讀取數(shù)據(jù)）。
1.5 信號調(diào)理
信號調(diào)理部分主要是對模擬信號進行濾波、隔離、推動，調(diào)節(jié)信號的直流偏移及信號的程控衰減和放大。
系統(tǒng)硬件的數(shù)字部分用一片Altera公司的FPGA芯片F(xiàn)lex10K10，運用FPGA的現(xiàn)場可重構(gòu)技術(shù)，使虛擬儀器的智能化和自動化得以實現(xiàn)。其開發(fā)平臺為Altera公司的Muxplus Ⅱ。各模塊的設(shè)計主要用VHDL硬件硬件語言來編寫，使得設(shè)計更為靈活、方便，尤其在控制邏輯的實現(xiàn)方面更顯示其優(yōu)點。
2 系統(tǒng)軟件
Microsoft公司的VC++ 6.0有MFC（Microsoft Foundation Classes）支持，因此可實現(xiàn)強大功能，編程效率高，運行速度快。本項目利用上述優(yōu)點，運用DLL（動態(tài)鏈接庫）技術(shù)進行編程。軟件框圖如圖4所示。軟件主要分為控制、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示三大模塊。
2.1 控制模塊
控制主要是設(shè)置DDS的頻率控制字，波形RAM數(shù)據(jù)的寫入，采集數(shù)據(jù)的讀取以及控制硬件部分的通路選擇，設(shè)置信號調(diào)理的衰減和放大器。
2.2 數(shù)據(jù)處理模塊
要得到網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，就要處理采集過來的波形數(shù)據(jù)（采集過來的數(shù)據(jù)包括經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)的波形數(shù)據(jù)和相位差平均電平的相位數(shù)據(jù)）。這里利用軟件的“起泡算法”來得到波形峰值，計算衰減量和放大量，得到網(wǎng)絡(luò)的幅度頻率特性。相位頻率特性直接由相位數(shù)據(jù)得到。
2.3 圖形顯示模塊
調(diào)用MFC的CpaintDC類現(xiàn)圖函數(shù)進行現(xiàn)圖。CpaintDC類中有豐富的畫圖函數(shù)，包括畫線（可選擇線的形式、顏色）、畫點等基本函數(shù)。本項目中主要由三個圖形顯示模塊：波形顯示、振幅頻率特性曲線顯示（線性、對數(shù)坐標）、相位頻率特性曲線顯示（線性、對數(shù)坐標）。
軟件設(shè)計中，采集數(shù)據(jù)的處理、外部FPGA的配置和三個顯示模塊分別做成了DLL（動態(tài)鏈接庫）函數(shù)，被主執(zhí)行程序動態(tài)調(diào)用。
通過以上分析可知，系統(tǒng)中有信號產(chǎn)生通道和數(shù)據(jù)采集通道。對濾形存儲器RAM寫入不同的波形，可產(chǎn)生任意波形。另外，還可采集外部波形，加入測頻和觸發(fā)模塊，具有示波器的完整功能。所以該儀器兼有多種功能，可和為掃頻儀、信號源及數(shù)字存儲示波器。其設(shè)計思想新穎，手段先進，性價比較高，充分體現(xiàn)了虛擬世界的無窮魅力。
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